piRNA
PiRNA's (piwi-interacterende RNA) zijn een klasse van RNA's die in 2006 zijn ontdekt en die iets langer zijn dan miRNA's en siRNA's (26–31 nucleotiden). Deze RNA's binden - zoals de naam impliceert - aan PIWI-proteïne en worden voornamelijk aangetroffen in geslachtscellen (kiembaan), waar ze essentieel zijn voor de spermatogenese. Ze zijn onder andere betrokken bij de gen silencing van retrotransposons. Gen-silencing is de regulatie van de genexpressie waardoor de expressie van een bepaald gen wordt voorkomen. De piRNA's werden geïdentificeerd in de laboratoria van Greg Hannon, Toshiaki Watanabe, Haifan Lin, Dimos Gaidatzis, Mihaela Zavolan en Tom Tuschl.
Kenmerken
[bewerken | brontekst bewerken]
PiRNA's zijn gevonden in zowel gewervelden als ongewervelden, en hoewel biogenese en werkingsmechanismen enigszins variëren tussen soorten, zijn een aantal kenmerken behouden gebleven. PiRNA's hebben geen duidelijke secundaire structuurmotieven,[1][2] vanwege het feit dat de lengte van een piRNA varieert tussen soorten (van 21 tot 31 nucleotiden), en de voorkeur voor een 5' uridine komt veel voor in piRNA's bij zowel gewervelde als ongewervelde dieren. PiRNA's in Caenorhabditis elegans hebben een 5'-monofosfaat en een 3'-modificatie die de 2'- of 3'-zuurstof blokkeert,[3] die ook voorkomen in zebravis,[4] muizen,[5] en ratten.[4] Deze 3'-modificatie is een 2'-O-methylering; de reden voor deze wijziging is niet duidelijk, maar er is gesuggereerd dat het de piRNA-stabiliteit verhoogt.[4][6]
Er zijn meer dan 50.000 unieke piRNA-sequenties ontdekt in muizen en meer dan 13.000 in D. melanogaster.[7] Er wordt gedacht dat er vele honderdduizenden verschillende piRNA-soorten voorkomen in zoogdieren.[8]
Geschiedenis en loci
[bewerken | brontekst bewerken]Begin jaren tachtig werd ontdekt dat een enkele mutatie in het bananenvlieggenoom specifiek alle kopieën van een retrovirus-achtig element genaamd Gypsy in de vrouwelijke kiembaan activeert. De plaats van de mutaties die deze gypsy's deden ‘dansen’ werd daarom de ‘flamenco-locus’ genoemd. In 2001 stelden Aravin et al. voor dat dubbelstrengig-RNA-gemedieerde silencing betrokken is bij de controle van retrotransposons in de kiembaan en in 2003 was het idee naar voren gekomen dat overblijfselen van transposons mogelijk dsRNA's produceren die nodig zijn voor het uitschakelen van "live" transposons.[9] Het sequencen van de flamenco-locus van 200.000 bp was moeilijk, omdat deze vol zat met transponeerbare elementfragmenten (104 inserties van 42 verschillende transposons, inclusief meerdere gypsy's), die allemaal dezelfde oriëntatie hebben. PiRNA's worden inderdaad allemaal aangetroffen in clusters in het hele dierlijke genoom; deze clusters kunnen slechts tien of vele duizenden piRNA's bevatten die overeenkomen met verschillende, fase transposonfragmenten. Dit leidde in 2007 tot het idee dat in de kiembaan een pool van primaire piRNA's wordt aangemaakt uit lange enkelstrengige transcripten gecodeerd door piRNA-clusters in de tegenovergestelde oriëntatie van de transposons, zodat de piRNA's zich kunnen hechten aan de transposon-gecodeerde transcripten en deze kunnen aanvullen, waardoor hun degradatie wordt veroorzaakt. Elk transposon die in de juiste oriëntatie in zo'n cluster landt, zal het individu min of meer immuun maken voor die transposon, en zo'n voordelige mutatie zal zich snel door de populatie verspreiden. De oorspronkelijke mutaties in de flamencolocus remden de transcriptie van het mastertranscript, waardoor dit afweersysteem werd gedeactiveerd.[10][11][1][12][13]
Een historisch voorbeeld van invasie en Piwi-reactie is bekend: het P-element-transposon drong halverwege de 20e eeuw een Drosophila melanogaster-genoom binnen, en door kruising hadden binnen tientallen jaren alle wilde bananevliegen wereldwijd (hoewel niet de reproductief geïsoleerde laboratoriumstammen) hetzelfde P-element. Onderdrukking van verdere activiteit van het P-element, die zich bijna gelijktijdig verspreidde, lijkt te hebben plaatsgevonden door het Piwi-interagerende RNA-reactiepad.[14]
PiRNA-clusters in genomen kunnen nu gemakkelijk worden gedetecteerd via bio-informatica-methoden.[15] Terwijl piRNA's van D. melanogaster en van gewervelde dieren zijn gelokaliseerd in gebieden zonder enige eiwitcoderende genen,[16][11] zijn piRNA's in Caenorhabditis elegans geïdentificeerd tussen eiwitcoderende genen.[17]
Bij zoogdieren worden piRNA's zowel in testis[18] en eierstokken,[19]gevonden hoewel ze alleen nodig lijken te zijn bij mannen.[20] Bij ongewervelde dieren zijn piRNA's gevonden in zowel de mannelijke als de vrouwelijke kiembaan.[4][8]
In cellen zijn piRNA's gevonden in zowel de celkern als in het cytoplasma, wat suggereert dat piRNA-reactiepaden in beide gebieden kunnen functioneren[16] en kan daarom meerdere effecten hebben.[21]
Biogenese
[bewerken | brontekst bewerken]
De biogenese van piRNA's is nog niet volledig begrepen, hoewel mogelijke mechanismen zijn voorgesteld. PiRNA's vertonen een significante strengafwijking, dat wil zeggen dat ze zijn afgeleid van slechts één DNA-streng,[1] en dit kan erop wijzen dat ze het product zijn van lange, enkelstrengige precursormoleculen.[22] Er wordt gesuggereerd dat een primair verwerkingsreactiepad het enige reactiepad is die wordt gebruikt om pachytene piRNA's te vormen; in dit mechanisme worden piRNA-voorlopers getranscripteerd, wat resulteert in piRNA's met de neiging zich te richten op 5’ uridinen.[23][24] Er wordt ook een 'pingpong'-mechanisme voorgesteld waarbij primaire piRNA's hun complementaire doelwitten herkennen en de rekrutering van piwi-eiwitten veroorzaken. Dit resulteert in de splitsing van het transcript op een punt-tien-nucleotide van het 5'-uiteinde van het primaire piRNA, waardoor het secundaire piRNA wordt geproduceerd.[24] Deze secundaire piRNA's zijn gericht op sequenties die een adenine op de tiende positie bezitten.[23] Omdat het piRNA dat betrokken is bij de pingpongcyclus aangrijpt op transposontranscripten, werkt de pingpongcyclus alleen op het niveau van transcriptie.[13] Een of beide van deze mechanismen kan in verschillende soorten werkzaam zijn; Caenorhabditis elegans heeft bijvoorbeeld piRNA's, maar lijkt helemaal geen gebruik te maken van het pingpongmechanisme.[8]
Een aanzienlijk aantal piRNA's geïdentificeerd in zebravis en Drosophila melanogaster bevatten adenine op hun tiende positie,[16] en dit is geïnterpreteerd als mogelijk bewijs van een geconserveerd biosynthetisch mechanisme over soorten heen.[6] Pingpongsignaturen zijn geïdentificeerd bij zeer primitieve dieren zoals sponzen en neteldieren, wat wijst op het bestaan van de pingpongcyclus al in de vroege takken van metazoas.[25]
Literatuur
[bewerken | brontekst bewerken]- Teixeira FK et al.: piRNA-mediated regulation of transposon alternative splicing in soma and germline. Nature. 2017 Dec 14; 552(7684): 268–272. PMID 29211718
- Betel D et al.: Computational analysis of mouse piRNA sequence and biogenesis. PLoS Comput Biol. 2007 Nov;3(11):e222. PMID 17997596.
- Faehnle CR et al.: Argonautes confront new small RNAs. Curr Opin Chem Biol. 2007 Oct;11(5):569-77. PMID 17928262.
- Saito K et al.: Pimet, the Drosophila homolog of HEN1, mediates 2′-O-methylation of Piwi- interacting RNAs at their 3′ ends. Genes Dev. 2007 Jul 1;21(13):1603-8. PMID 17606638.
- Pall GS et al.: Carbodiimide-mediated cross-linking of RNA to nylon membranes improves the detection of siRNA, miRNA and piRNA by northern blot. Nucleic Acids Res. 2007;35(8):e60. PMID 17405769.
- Grivna ST et al.: MIWI associates with translational machinery and PIWI-interacting RNAs (piRNAs) in regulating spermatogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006 Sep 5;103(36):13415-20. PMID 16938833.
- Lau NC et al.: Characterization of the piRNA complex from rat testes. Science. 2006 Jul 21;313(5785):363-7. PMID 16778019.
- Grivna ST et al.: A novel class of small RNAs in mouse spermatogenic cells. Genes Dev. 2006 Jul 1;20(13):1709-14. PMID 16766680.
- ↑ a b c (July 2006). Molecular Biology Select. Cell 126 (2): 223–225. DOI: 10.1016/j.cell.2006.07.012.
- ↑ Carmen L, Michela B, Rosaria V, Gabriella M (2009). Existence of snoRNA, microRNA, piRNA characteristics in a novel non-coding RNA: x-ncRNA and its biological implication in Homo sapiens. Journal of Bioinformatics and Sequence Analysis 1 (2): 031–040.
- ↑ Vagin VV, Sigova A, Li C, Seitz H, Gvozdev V, Zamore PD (July 2006). A distinct small RNA pathway silences selfish genetic elements in the germline. Science 313 (5785): 320–324. PMID 16809489. DOI: 10.1126/science.1129333.
- ↑ a b c d Houwing S, Kamminga LM, Berezikov E, Cronembold D, Girard A, van den Elst H, Filippov DV, Blaser H, Raz E, Moens CB, Plasterk RH, Hannon GJ, Draper BW, Ketting RF (April 2007). A role for Piwi and piRNAs in germ cell maintenance and transposon silencing in Zebrafish. Cell 129 (1): 69–82. PMID 17418787. DOI: 10.1016/j.cell.2007.03.026.
- ↑ Kirino Y, Mourelatos Z (April 2007). Mouse Piwi-interacting RNAs are 2′-O-methylated at their 3′ termini. Nature Structural & Molecular Biology 14 (4): 347–348. PMID 17384647. DOI: 10.1038/nsmb1218.
- ↑ a b Faehnle CR, Joshua-Tor L (October 2007). Argonautes confront new small RNAs. Current Opinion in Chemical Biology 11 (5): 569–577. PMID 17928262. PMC 2077831. DOI: 10.1016/j.cbpa.2007.08.032.
- ↑ Lin H, Yin H, Beyret E, Findley S, Deng W (2008). The role of the piRNA pathway in stem cell self-renewal.. Developmental Biology 319 (2): 479. DOI: 10.1016/j.ydbio.2008.05.048.
- ↑ a b c Das PP, Bagijn MP, Goldstein LD, Woolford JR, Lehrbach NJ, Sapetschnig A, Buhecha HR, Gilchrist MJ, Howe KL, Stark R, Matthews N, Berezikov E, Ketting RF, Tavaré S, Miska EA (July 2008). Piwi and piRNAs act upstream of an endogenous siRNA pathway to suppress Tc3 transposon mobility in the Caenorhabditis elegans germline. Molecular Cell 31 (1): 79–90. PMID 18571451. PMC 3353317. DOI: 10.1016/j.molcel.2008.06.003.
- ↑ Aravin AA, Naumova NM, Tulin AV, Vagin VV, Rozovsky YM, Gvozdev VA (July 2001). Double-stranded RNA-mediated silencing of genomic tandem repeats and transposable elements in the D. melanogaster germline. Current Biology 11 (13): 1017–1027. PMID 11470406. DOI: 10.1016/S0960-9822(01)00299-8.
- ↑ Goriaux C, Théron E, Brasset E, Vaury C (2014). History of the discovery of a master locus producing piRNAs: the flamenco/COM locus in Drosophila melanogaster. Frontiers in Genetics 5: 257. PMID 25136352. PMC 4120762. DOI: 10.3389/fgene.2014.00257.
- ↑ a b Brennecke J, Malone CD, Aravin AA, Sachidanandam R, Stark A, Hannon GJ (November 2008). An epigenetic role for maternally inherited piRNAs in transposon silencing. Science 322 (5906): 1387–1392. PMID 19039138. PMC 2805124. DOI: 10.1126/science.1165171.
- ↑ O'Donnell KA, Boeke JD (April 2007). Mighty Piwis defend the germline against genome intruders. Cell 129 (1): 37–44. PMID 17418784. PMC 4122227. DOI: 10.1016/j.cell.2007.03.028.
- ↑ a b Malone CD, Hannon GJ (February 2009). Small RNAs as guardians of the genome. Cell 136 (4): 656–668. PMID 19239887. PMC 2792755. DOI: 10.1016/j.cell.2009.01.045.
- ↑ Kelleher ES (August 2016). Reexamining the P-Element Invasion of Drosophila melanogaster Through the Lens of piRNA Silencing. Genetics 203 (4): 1513–1531. PMID 27516614. PMC 4981261. DOI: 10.1534/genetics.115.184119.
- ↑ Rosenkranz D, Zischler H (January 2012). proTRAC—a software for probabilistic piRNA cluster detection, visualization and analysis. BMC Bioinformatics 13 (5): 5. PMID 22233380. PMC 3293768. DOI: 10.1186/1471-2105-13-5.
- ↑ a b c Klattenhoff C, Theurkauf W (January 2008). Biogenesis and germline functions of piRNAs. Development 135 (1): 3–9. PMID 18032451. DOI: 10.1242/dev.006486.
- ↑ Ruby JG, Jan C, Player C, Axtell MJ, Lee W, Nusbaum C, Ge H, Bartel DP (December 2006). Large-scale sequencing reveals 21U-RNAs and additional microRNAs and endogenous siRNAs in C. elegans. Cell 127 (6): 1193–1207. PMID 17174894. DOI: 10.1016/j.cell.2006.10.040.
- ↑ Aravin A, Gaidatzis D, Pfeffer S, Lagos-Quintana M, Landgraf P, Iovino N, Morris P, Brownstein MJ, Kuramochi-Miyagawa S, Nakano T, Chien M, Russo JJ, Ju J, Sheridan R, Sander C, Zavolan M, Tuschl T (July 2006). A novel class of small RNAs bind to MILI protein in mouse testes. Nature 442 (7099): 203–207. PMID 16751777. DOI: 10.1038/nature04916.
- ↑ Tam OH, Aravin AA, Stein P, Girard A, Murchison EP, Cheloufi S, Hodges E, Anger M, Sachidanandam R, Schultz RM, Hannon GJ (May 2008). Pseudogene-derived small interfering RNAs regulate gene expression in mouse oocytes. Nature 453 (7194): 534–538. PMID 18404147. PMC 2981145. DOI: 10.1038/nature06904.
- ↑ Siomi MC, Sato K, Pezic D, Aravin AA (April 2011). PIWI-interacting small RNAs: the vanguard of genome defence. Nature Reviews Molecular Cell Biology 12 (4): 246–258. PMID 21427766. DOI: 10.1038/nrm3089.
- ↑ Ruvkun G (July 2008). Tiny RNA: Where do we come from? What are we? Where are we going?. Trends in Plant Science 13 (7): 313–316. PMID 18562240. DOI: 10.1016/j.tplants.2008.05.005.
- ↑ Seto AG, Kingston RE, Lau NC (June 2007). The coming of age for Piwi proteins. Molecular Cell 26 (5): 603–609. PMID 17560367. DOI: 10.1016/j.molcel.2007.05.021.
- ↑ a b Aravin AA, Sachidanandam R, Bourc'his D, Schaefer C, Pezic D, Toth KF, Bestor T, Hannon GJ (September 2008). A piRNA pathway primed by individual transposons is linked to de novo DNA methylation in mice. Molecular Cell 31 (6): 785–799. PMID 18922463. PMC 2730041. DOI: 10.1016/j.molcel.2008.09.003.
- ↑ a b Brennecke J, Aravin AA, Stark A, Dus M, Kellis M, Sachidanandam R, Hannon GJ (March 2007). Discrete small RNA-generating loci as master regulators of transposon activity in Drosophila. Cell 128 (6): 1089–1103. PMID 17346786. DOI: 10.1016/j.cell.2007.01.043.
- ↑ Grimson A, Srivastava M, Fahey B, Woodcroft BJ, Chiang HR, King N, Degnan BM, Rokhsar DS, Bartel DP (October 2008). Early origins and evolution of microRNAs and Piwi-interacting RNAs in animals. Nature 455 (7217): 1193–1197. PMID 18830242. PMC 3837422. DOI: 10.1038/nature07415.